1.1 核心定义

电机高次谐波注入控制（High-Order Harmonic Injection, HOHI）是近年来在电机控制领域兴起的先进技术，其核心定义可从控制逻辑与技术目标两方面深化理解：在控制逻辑上，它以传统正弦波控制为基础框架，通过数字化控制算法（如模型预测控制、自适应滤波等）主动向电机定子电压或电流中叠加3次、5次、7次及以上的高次谐波分量——这里的“高次”特指频率为基波整数倍且高于基波的谐波，基波作为电机能量转换的主频率，高次谐波则作为性能优化的“调控媒介”；在技术目标上，其核心是利用谐波与电机电磁特性（如气隙磁场分布、磁阻变化、转矩生成机制）的耦合效应，实现转矩脉动抑制、转矩密度提升、弱磁扩速范围扩展或噪声振动（NVH）优化等特定性能突破。与传统电机控制中“谐波有害”的固有认知不同，HOHI通过精准的参数设计，将原本需抑制的谐波转化为性能提升的“助力”。

与传统“谐波抑制”思路存在本质差异：传统控制中，工程师通过无源滤波、有源电力滤波器（APF）或优化PWM调制策略等方式，极力消除电网侧或负载侧引入的谐波，核心目标是避免谐波导致的电机发热、效率下降等问题；而高次谐波注入则是主动利用谐波而非消除谐波——通过仿真与试验精准设计谐波的次数（匹配电机固有非线性特性的频率）、幅值（控制在基波的5%~20%以平衡效果与损耗）与相位（确保与目标特性同相或反相），使谐波分量与电机固有非线性特性（如IPMSM的磁阻凸极效应、永磁电机的齿槽效应、逆变器的开关非线性）产生可控的相互作用，最终实现特定性能指标的定向提升。这种从“被动抑制”到“主动利用”的转变，是电机控制从“稳定运行”向“高效优化”升级的重要标志。

1.2 核心控制目标

高次谐波注入的本质是通过“谐波赋能”优化电机综合性能，核心目标包括：

抑制转矩脉动：转矩脉动是电机输出转矩围绕平均转矩的周期性波动，其频率与电机极对数、齿槽数及转速强相关（如24槽4极电机的齿槽转矩脉动频率约为转速的24倍），会导致传动系统冲击、飞控精度下降等问题。HOHI通过注入与脉动频率相同、相位相反的谐波转矩，精准抵消齿槽转矩、磁阻转矩脉动及逆变器非线性（如死区效应）导致的转矩波动，使输出转矩平稳性提升30%~70%，尤其适配eVTOL悬停等对转矩稳定性要求极高的工况；

提升转矩密度：转矩密度是eVTOL电机轻量化设计的核心指标，IPMSM（内置式永磁同步电机）因d/q轴磁阻不对称产生的磁阻转矩具有显著非线性特性。HOHI通过向d轴或q轴电流注入特定谐波，使谐波与基波的交叉项（如
）产生额外平均转矩，在不增加电机体积与重量的前提下，可使转矩密度提升8%~15%，直接降低eVTOL动力系统的重量占比；

扩展弱磁扩速范围：电机高速运行时，定子反电动势随转速升高而增大，当反电动势接近逆变器直流母线电压极限时，传统弱磁控制会因电压饱和而失效。HOHI通过注入零序谐波（如3次谐波）或d轴高次谐波，利用谐波电压的“峰值互补”特性——在基波电压谷值区域叠加谐波电压，使相电压峰值提升10%~30%，从而突破电压极限，将电机最高运行转速扩展20%~25%，满足eVTOL巡航工况的高速需求；

优化NVH性能：电机NVH问题源于电磁力谐波激励定子铁心产生的振动，经机壳传递后形成噪声，eVTOL紧凑的客舱空间会放大这一问题。HOHI通过注入特定谐波电流调整电磁力分布，抑制主导NVH的2次、4次、6次电磁力谐波，可使客舱噪声声压级降低5~15 dB(A)，达到航空级舒适性标准（≤65 dB(A)）；

降低损耗：电机损耗主要包括铜损（与电流有效值平方成正比）和铁损（与磁场变化频率相关）。HOHI通过优化电流波形，使电流轨迹更贴近电机的最优效率曲线，例如通过注入谐波减少d轴电流的冗余分量降低铜损，或通过抑制高次磁场变化降低铁损，综合可使电机效率提升3%~5%，直接延长eVTOL的续航里程。